Bombas de alta presión para aplicaciones de ósmosis inversa

Las bombas APP pertenecen a la familia de bombas de desplazamiento positivo y utilizan la tecnología de pistón axial, que funciona según un principio fundamentalmente diferente al de las bombas centrífugas. En una bomba APP, el caudal se determina principalmente por el desplazamiento y la velocidad de rotación, mientras que la presión se genera según la demanda del sistema. Este principio de funcionamiento, combinado con bajas fugas internas y bajas pérdidas hidráulicas y mecánicas, permite a las bombas APP alcanzar una alta eficiencia de bombeo 

Además de lograr una mayor eficiencia máxima, las bombas APP mantienen una alta eficiencia constante en diferentes condiciones mediante el desacoplamiento de la presión y el caudal. Esto ayuda a reducir las pérdidas de energía fuera del diseño y a mantener bajos los costes operativos y de SEG a lo largo del tiempo.

En las bombas centrífugas, la presión y el caudal están vinculados a través de la curva de la bomba, y solo se alcanza la máxima eficiencia alrededor del punto de mejor eficiencia (BEP).

Las bombas a menudo se seleccionan y comparan en un único punto de funcionamiento especificado, normalmente en o cerca del punto de mejor eficiencia (BEP). Sin embargo, las plantas de ósmosis inversa rara vez funcionan de forma continua en ese punto exacto. La salinidad de la alimentación, la temperatura, la suciedad y el envejecimiento de la membrana y la demanda de producción cambian la presión y el caudal requeridos con el tiempo.

Por lo tanto, el rendimiento de la bomba debe evaluarse en todo el rango de funcionamiento esperado y el perfil de funcionamiento anual. Dado que las bombas APP mantienen una alta eficiencia constante a medida que cambian las condiciones de funcionamiento, su ahorro real de energía en comparación con las bombas centrífugas puede ser sustancialmente mayor de lo que sugiere una comparación de un solo punto.

La pregunta clave no es solo «¿Cuál es la eficiencia máxima?» sino «¿Cuánta energía consumirá la bomba en las condiciones de funcionamiento reales a lo largo de la vida útil de la planta?»

La mayoría de las plantas de SWRO en todo el mundo operan por debajo de ~50.000 m³/día y experimentan:

• Mayor variabilidad de carga
• Etapas y regulación más frecuentes
• Arquitecturas en trenes modulares
• Disposiciones con limitaciones de espacio
• Límites de funcionamiento más amplios

En estas condiciones, mantener una alta eficiencia constante en diferentes condiciones de funcionamiento es clave para minimizar el consumo energético específico (SEG). Al mismo tiempo, el tamaño compacto y la flexibilidad de instalación de las bombas APP simplifican su integración en sistemas modulares y disposiciones de planta con limitaciones de espacio.

Las bombas APP están optimizadas para procesos de membrana de alta presión en los que la presión estable, la alta eficiencia y la flexibilidad operativa son fundamentales.

Algunas aplicaciones típicas podrían ser:

• Plantas de SWRO terrestres de hasta 50 000 m3/día
• Plantas SWRO marinas, en contenedores y descentralizadas
• Sistemas de ósmosis inversa para la reutilización de agua y aguas residuales, incluidos los procesos de descarga líquida cero (ZLD) y descarga líquida mínima (MLD)
• Concentración y valorización de salmueras
• Sistemas de ósmosis inversa multietapa

Su capacidad para mantener una alta eficiencia en un amplio rango de funcionamiento hace que las bombas APP sea especialmente eficaz en aplicaciones en las que la salinidad, las tasas de recuperación y las demandas de producción varían con el tiempo.

El coste total de propiedad (TCO) tiene en cuenta tanto la inversión inicial como los costes operativos a lo largo de la vida útil típica de 20-30 años de la planta.

Las bombas de alta presión solo representan alrededor del 4-5% del CAPEX de la planta de SWRO y aproximadamente el 1% del TCO total de su vida útil. Sin embargo, representan alrededor del 70 % del consumo energético de la planta, lo que puede representar el 30-40 % de su TCO total.

Incluso pequeñas diferencias en la eficiencia de la bomba de alta presión pueden traducirse en diferencias sustanciales en el consumo energético y los costes operativos a lo largo de la vida útil de la planta. Por lo tanto, seleccionar la tecnología de bombas de alta presión adecuada es fundamental para minimizar el TCO y, al mismo tiempo, apoyar los objetivos de descarbonización y ESG.

Las bombas APP utilizan un diseño compacto, de accionamiento directo y lubricado con agua, lo que elimina la necesidad de cajas de engranajes, correas y sistemas de lubricación de aceite externos. Sus requisitos de servicio predecibles y sus largos intervalos de servicio respaldan un funcionamiento fiable y un mantenimiento planificado.

El mantenimiento puede ser realizado directamente en la planta por personal debidamente formado, sin necesidad de enviar la bomba a un centro de servicio externo. Danfoss puede proporcionar la formación necesaria, lo que permite a los operarios planificar el mantenimiento en función de las necesidades de producción, controlar el tiempo de inactividad y maximizar la disponibilidad de la planta.

Las bombas APP también utilizan motores estándar de baja tensión, que están ampliamente disponibles y suelen ser más fáciles de mantener que los motores de media tensión. Requieren menos equipos eléctricos complejos y procedimientos de mantenimiento, lo que simplifica aún más el funcionamiento de la planta y la gestión de las piezas de repuesto.

Esta simplicidad ayuda a mejorar la fiabilidad operativa, lo que tiene ventajas particulares en aplicaciones de tratamiento de agua remotas, descentralizadas y de misión crítica.

Las bombas APP combinan una alta densidad de potencia con un diseño compacto y ligero. La mayoría de los modelos pueden instalarse horizontal o verticalmente y funcionar en paralelo para satisfacer los requisitos de caudal de los trenes de ósmosis inversa más grandes. Su tamaño relativamente pequeño simplifica la integración donde el espacio es limitado:

• Sistemas de desalación sector naval
• Sistemas RO en contenedor
• Unidades de tratamiento móviles y descentralizadas
• Disposiciones de planta con limitaciones de espacio

Su tamaño compacto también simplifica el transporte, la manipulación, la instalación y el servicio in situ en comparación con equipos de bombeo centralizados más grandes.

Las bombas APP son intrínsecamente adecuadas para el funcionamiento modular en paralelo. Varias bombas pueden funcionar juntas en el mismo tren para proporcionar el caudal necesario sin depender de una gran bomba centralizada. 

A diferencia de las arquitecturas tradicionales de redundancia en espera, las configuraciones de bombas APP distribuyen la capacidad entre varias bombas en funcionamiento. Si una bomba se desconecta para mantenimiento o experimenta un fallo, el sistema puede seguir produciendo agua a una capacidad reducida en lugar de apagar todo el tren.

Las configuraciones en paralelo también se pueden adaptar a diferentes estrategias de producción y redundancia combinando bombas de velocidad fija y controladas por VFD o conectando y desconectando unidades individuales según sea necesario.

Esta arquitectura ofrece:

• Redundancia distribuida y reducción del riesgo de fallo de un solo punto
• Alta eficiencia en diferentes condiciones de carga
• Reducción modular sin grandes penalizaciones de eficiencia
• Funcionamiento continuo durante el mantenimiento o el servicio
• Reducción del riesgo de tiempo de inactividad y aumento de la disponibilidad de la planta
• Control independiente del tren
• Planificación de mantenimiento simplificada
• Escalabilidad más sencilla y futura ampliación de la capacidad

Esta arquitectura es especialmente valiosa en sistemas SWRO, de reutilización de agua y de membrana modular, donde las condiciones de funcionamiento y la demanda de producción varían con el tiempo.

No. En una configuración APP en paralelo, una bomba puede funcionar con un VFD de baja tensión, mientras que las demás bombas funcionan a velocidad fija utilizando arrancadores suaves o arranque directo en línea, cuando esté permitido.

Dependiendo del rango de funcionamiento esperado, el amplio rango de control de caudal de una APP puede permitir que una única unidad controlada por VFD se adapte a las variaciones de caudal necesarias. Si se necesita un rango de control más amplio, se puede incorporar un segundo VFD. Alternativamente, el sistema de control podría diseñarse y configurarse para parar una APP de velocidad fija mientras la unidad accionada por VFD ajusta su velocidad para mantener el caudal total requerido.

En comparación con la instalación de un VFD para cada bomba, esta configuración significa que solo una parte de la potencia total del motor instalado pasa continuamente a través de los VFD. Esto puede reducir:

• Capacidad del VFD instalado y la inversión inicial
• Pérdidas por conversión eléctrica
• Requisitos de generación de calor y refrigeración
• Complejidad general del sistema y costes operativos

Estas ventajas son cada vez más relevantes a medida que aumenta el número de bombas APP que funcionan en paralelo. La configuración final se puede adaptar al rango de funcionamiento requerido de la planta, la filosofía de redundancia y la estrategia de control.

Las bombas APP son una tecnología madura y ampliamente implementada con más de 30 000 bombas instaladas en todo el mundo en sistemas de membrana de alta presión. En conjunto, se estima que estas instalaciones:

• Producen más de 2,300 millones de m³ de agua al año
• Ahorran aproximadamente 200 millones de € en costes de energía cada año
• Evitan aproximadamente 600 000 toneladas de emisiones de CO₂ al año en comparación con los sistemas de bombeo de alta presión convencionales

Esta base instalada proporciona una amplia validación operativa en diversas condiciones de agua de alimentación, climas, ciclos de trabajo y entornos operativos.

Para los propietarios de plantas y las empresas de ingeniería, adquisición y construcción (EPC), la base instalada es importante porque la fiabilidad a largo plazo, la facilidad de mantenimiento y el rendimiento durante todo el ciclo de vida se demuestran en el funcionamiento real, no solo en condiciones de laboratorio o piloto..